【正文】 。潤滑油往往不能在高速、高溫、高壓的條件下使用，而石墨耐磨材料可以在 200～ 2020℃ 溫度中在很高的滑動速度下，不用潤滑油工作。石墨乳也是許多金屬加工 (拔絲、拉管 )時的良好的潤滑劑。經(jīng)過特殊加工的石墨，具有耐腐蝕、導(dǎo)熱性好，滲透率低等特點， 就大量用于制作熱交換器，反應(yīng)槽、凝縮器、燃燒塔、吸收塔、冷卻器、加熱器、過濾器、泵設(shè)備。 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 作鑄造、翻砂、壓模及高溫冶金材料：由于石墨的熱膨脹系數(shù)小，而且能耐急冷急熱的變化，可作為玻璃器的鑄模，使用石墨后黑色金屬得到鑄件尺寸精確，表面光潔成品率高，不經(jīng)加工或稍作加工就可使用，因而節(jié)省了大量金屬。單晶硅的晶體生長坩堝，區(qū)域精煉容器，支架夾具，感應(yīng)加熱器等都是用 高純石墨加工而成的。 用于原子能工業(yè)和國防工業(yè)：石墨具有良好的中子減速劑用于原子反應(yīng)堆中，鈾石墨反應(yīng)堆是目前應(yīng)用較多的一種原子反應(yīng)堆。作為原子反應(yīng)堆用的石墨純度要求很高，雜質(zhì)含量不應(yīng)超過幾十個 ppm。在國防工業(yè)中還用石墨制造固體燃料火箭的噴嘴，導(dǎo)彈的鼻錐，宇宙航行設(shè)備的零件，隔熱材料和防射線材料 。 柔性石墨制品。 美國 已 研究成功柔性石墨密封材料，解決了原子能閥門泄漏問題，隨后德、日、法也開始研制生產(chǎn)。 因此，是一種理想的密封材料。國際市場需求量 也 逐年增長。它是一種很好的節(jié)能環(huán)保材料，美國已 用它 作 為汽車電池。 石墨的潤濕性研究現(xiàn)狀 [5]。早在 60 年代初，前蘇聯(lián)學(xué)者曾用座滴法對 20 多種純金屬測定了它們在液態(tài)下與石墨表面的潤濕角。 由于純金屬的熔點較高，對石墨的潤濕需要在較高的溫度下才能進行，因此應(yīng)用并不廣泛。研究表明活性元素 Ti 的含量對石墨 /Ni + Ti 體系潤濕性有顯著影響。 Ti 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過 40 %時 ,該體系的潤濕性隨著 Ti 含量增加而顯著改善。例如 AuNi 共晶液相對石墨不潤濕，但假如了 Ta 或Mo 所構(gòu)成的 AuNiTa 和 AuNiMo 三元合金則對石墨有良好潤濕性 。 石墨材料的潤濕還受其孔隙率和它吸附的氣體及其它雜質(zhì)的影響。而對于 高密度石墨，釬料很難滲入石墨表面層，相對降低了釬料與石墨的結(jié)合力。世界上許多國家都認(rèn)識到锨合金材料的重要性，相繼對其進行研究開發(fā)，并得到了實際應(yīng)用。 在常溫下，鈦及鈦合金是比較穩(wěn)定的。隨著溫度的升高，鈦及鈦合金吸收氫、氧、氮的能力也隨之明顯上升，大約在 250℃左右開始吸收氫，從 400℃開始吸收氧，從 600℃開始吸收氮，這些氣體被吸收后，將會直接引起焊接接頭脆化，是影響焊接質(zhì)量的極為重要的因素。焊縫含氫量變化對焊縫沖擊性能影響最為顯著，其主要原因是隨縫含氫彈量增加，焊縫中析出的片狀或針狀 TiH2增多。 （ 2） 氧的影響 氧在鈦的α相和β想中都有有較高的熔解度，并能形成間隙固深相，使用權(quán)鈦的晶傷口嚴(yán)重扭曲，從而提高鈦及鈦合金的硬度和強度，使塑性卻顯江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 著降低。 （ 3） 氮的影響 在 700℃以上的高溫下，氮和鈦發(fā)生劇作用，形成脆硬的氮化鈦（ riN）而且氮與鈦形成間隙固溶體時所引起的晶格歪挪程度，比是量的氧引起的后果更為嚴(yán)重，因 此，氮對提高工業(yè)純鈦焊縫的抗拉強度、硬度，降低焊縫的塑性性能比氧更為顯著。但是當(dāng)進一步提高焊縫含碳量時，焊縫卻出現(xiàn)網(wǎng)狀 TiC，其數(shù)量隨碳含量增高而增多，使焊縫塑性急劇下降，在焊接應(yīng)力作用下易出現(xiàn)裂紋。 TC4的 特點 鈦是 20 世紀(jì) 50 年代發(fā)展起來的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，鈦合金 因具有比強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點而被廣泛用于各個領(lǐng)域。 第一個實用的鈦合金是 1954 年美國研制成功的 Ti6Al4V 合金，由于它的耐熱性、強度、塑性、韌性、成形性、可焊性、耐蝕性和生物相容性均較好，而成為鈦合金工業(yè)中的王牌合金，該合金使用量已占全部鈦合金的 75％～ 85％ 。 20 世紀(jì) 50～ 60 年代，主要是發(fā)展航空發(fā)動機用的高溫鈦合金和機體用的結(jié)構(gòu)鈦合金， 70 年 代開發(fā)出一批耐蝕鈦合金， 80 年代以來，耐蝕鈦合金和高強鈦合金得到進一步發(fā)展。 A2(Ti3Al)和 r（ TiAl） 基合金的出現(xiàn)，使鈦在發(fā)動機的使用部位正由發(fā)動機的冷端（風(fēng)扇和壓氣機）向發(fā)動機的熱端（渦輪）方向推進。 另外， 20 世紀(jì) 70 年代以來，還出現(xiàn)了 TiNi、 TiNiFe、 TiNiNb 等形狀記憶合金，并在工程上獲得日益廣泛的應(yīng)用。 鈦合金可以分為 α、 α+β、 β 型合金及鈦鋁金屬間化合物 （ TixAl，此處 x=1）四類。鈦合金的友誼性能，使之在航空航天工業(yè)和軍事工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用 [9]。 近年來，工業(yè)部門采用新型焊接結(jié)構(gòu)中，鈦及其合金的應(yīng)用也越來越多，已占有重要的地位。在大氣，海水和許多強腐蝕介質(zhì)中也軍郵良好的抗腐蝕性能。它具有良好的綜合力學(xué)性能，大多可熱處理強化 (但 TC TC TC7 不能熱處理強化 )，鍛造、沖壓及焊接性能較好，可切削加工，室溫強度高。其成分如表11 所示： 表 11 TC4 的 物理 性能 熱處理狀態(tài) 抗拉強度 /MPa 伸長率 % 沖擊韌度 /J 異種材料連接就是兩種不同的材料（包括金屬和非金屬、復(fù)合材料、化合物等），通過一定工藝條件連接到一起，形成一個完整的具有一定使用性能的結(jié)構(gòu)。如航空發(fā)動機和航天推進系統(tǒng)以及核工業(yè)中的異種金屬導(dǎo)管結(jié)構(gòu)、熱管結(jié)構(gòu)、陶瓷金屬結(jié)構(gòu)、航空航天儀表的雙金屬構(gòu)件；電子行業(yè)中集成電路板的制造、電子封裝以及高級鋁銅散熱器；汽車行業(yè)中的鋁鋼連接結(jié)構(gòu)；冰箱中的鋁銅管路結(jié)構(gòu)等都是異種材料連接結(jié)構(gòu) [10]。機械連接和膠接存在強度低、結(jié)構(gòu)質(zhì)量大、膠接產(chǎn)生多余物等缺點；而常規(guī)熔焊方法則存在： （ 1） 冶金不相容性，界面形成脆性化合物相； （ 2） 由于熱物理性能不匹配產(chǎn)生殘余應(yīng)力； （ 3） 力學(xué)性能差異巨大，導(dǎo)致連接界面力學(xué)失配，產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力奇異行為 [11]。由于異種材料連接的特殊性，常用方法有：熔釬焊、釬焊、擴散釬焊、擴散 焊、冷壓焊、摩擦焊等特種連接技術(shù)。石墨還有良好的導(dǎo)電性能和優(yōu)良的抗腐蝕性能。石墨是一種多孔材料，在空氣中溫度為 400℃以上時能急劇氧化。 與金屬的連接方法有機械連接、粘接、 釬焊、擴散焊等，其中研究最多、應(yīng)用最廣的焊接方法 應(yīng) 當(dāng)屬擴散焊和釬焊。 由于石墨不像金屬那樣存在大量的自由電子，而是以共價鍵結(jié)合在一起，在石墨與金屬的焊接中存在以下的困難： （ 1）石墨以共價鍵結(jié)合在一起使其表面能很低，因此它的表面潤濕性很差，大多數(shù)常用釬料對它難于潤濕或不潤濕，在進行釬焊時往往會發(fā)生連接強度不高或者不完全焊合的情況 [14]。 鑒于存在上述問題，在石墨與金屬連接的過程中，需要研究石墨 在擴散焊條件下石墨 /金屬接頭的界面結(jié)構(gòu)，并對焊后的接頭進行性能分析，這樣才能獲得性能可靠的石墨 /金屬接頭。 材料的擴散焊是以 “物理純 ”表面的主 要特性之一為根據(jù)，該種表面由于開裂的原子鍵而具有 “結(jié)合 ”能力。擴散焊接要求有一足夠的擠壓力，以便使焊接表面之間的距離縮短到原子之間力的相互作用半徑。 在真空中，高于再結(jié)晶溫度時只施加不大的壓力，就足以使相接觸的焊件接合如果連接區(qū)域擴散開，并具有體積特性時，則就獲得了連接的可靠性和強度 。真空釬焊可以去除鋁、鈦等氧化膜，因此提高真空度和釬焊溫度，有利于除去金屬氧化膜。衡量液態(tài)釬料對基體金屬潤濕性的標(biāo)準(zhǔn)是潤濕系數(shù)。能否形成優(yōu)質(zhì)釬焊接頭，要根據(jù)液態(tài)釬料與基體金屬之間的作用來決定。擴散系數(shù)隨溫度的升高而增江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 加。由于它較脆，對接頭性能有不良的影響。只要溶解量在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，對于接頭性能是有利的?；w金屬如過多的溶解到釬料中，則在基體金屬上就會出現(xiàn)凹陷，甚至熔穿的現(xiàn)象，這種缺陷叫做熔蝕，必須避免。這些釬焊接頭塑性好，強度高，是理想的釬焊接頭組織。因此，應(yīng)盡量避免釬縫中出現(xiàn)化合物組織。 如果接頭間隙很小，硼、硅等形成化合物的元素就容易擴散到基體金屬中，但由于結(jié)晶時間較短，就可減少或避免金屬間化合物的形成。當(dāng)間隙一定時，提高釬焊溫度或延長釬焊保溫時間，增加硼、硅等元素的擴散量，也可 減少或避免形成金屬間化合物。 (2)釬焊時，零件整體受熱均勻，熱英里小，可將變形量控制在最小限度，特別適宜精密產(chǎn)品的釬焊。 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 (4)因為不用釬劑，所以不會出現(xiàn)氣孔，夾雜等缺陷，可以省掉釬焊后清晰殘余釬劑的工序，節(jié)省時間，改善了勞動強度，對環(huán)境無污染。選擇適當(dāng)?shù)拟F焊工藝參數(shù)，還可將釬焊安排為最后的程序，而得到符合要求的釬焊接頭。 (7)可釬焊的基體技術(shù)種類多，特別適宜釬焊鋁，鈦和鈦合金，不銹鋼等。 總而言之，真空釬焊可以得到以下好處：可以經(jīng)濟的焊接復(fù)雜的和多零件組裝件；有兩好的應(yīng)力分布和熱傳導(dǎo)；用簡單的方法可實現(xiàn)大面積或長度的連接；能使鑄造材料和變形金屬連接；能使某些非金屬和金屬連接；能使異種金屬相互連接；能夠使大型組裝件在無應(yīng)力集中下焊接；能保持被連接金屬的冶金特征；能夠提高知道公差；能嚴(yán)格控制工藝過程。如確需使用，則應(yīng)采用相應(yīng)的復(fù)雜的工藝措施。 真空設(shè)備復(fù)雜，一次性投資大，維修費用高。 在釬焊高溫作用下，母材基體金屬和釬料本身的表面都可能很快地生成一層薄氧化膜，阻礙二者的直接接觸與相互作用。不同的釬焊方法采用 不同的除氧化膜和防止氧化措施。而真空釬焊時，不使用釬劑和介質(zhì)氣體，去除氧化膜的作用，是通過真空狀態(tài)本身來實現(xiàn)的。一是真空條件下氧化膜江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 的去除過程；二是釬料填滿釬焊間隙的過程；三是釬料與母材基體金屬相互進行物理化學(xué)作用的過程。大多采用 CVD 法將金屬化元素沉積在石墨表面上，但是，由于石墨 CVD 法處理時溫度較低，一般在金屬膜與石墨界面上不產(chǎn)生碳化物反應(yīng)。另一類方法是直接釬焊法，特別是活性釬料釬焊法是目前應(yīng)用最多的方法。由于石墨在高溫下易氧化，因此石墨的直接釬焊必須在真空中或在惰性氣體保護下進行釬焊。石墨與 鈦合金 釬焊接頭的熱應(yīng)力主要是由于石墨與釬料之間的線膨脹系數(shù)差別而引起的。 石墨和 TC4 合金接觸反應(yīng)的目的及意義 石墨與鈦合金的焊接接頭可以充分發(fā)揮石墨和鈦合金各自的優(yōu)勢，即石墨的耐高溫性、潤滑性、耐腐蝕性、可塑性和抗熱震 性，以及鈦合金的強度高、耐蝕性好、耐熱性高，因而被大量應(yīng)用于鋁冶煉、重化工、原子能、航天航空等國民經(jīng)濟各部門。 （ 2） 在一定的溫度范圍和保溫時間內(nèi)，加熱溫度不變時，保溫時間的選擇對焊縫組織及性能的影響。 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 第 2章 實 驗材料、設(shè)備和方法 實 驗材料 本課題主要使用的材料有：石墨 、 TC4 合金片 若 干 和、 30μm 的 Ni 箔片和 10μm 的 Cu/Ni 箔片 ，丙酮 (CH3COCH3)、無水乙醇 (CH3CH2OH)、金相砂紙、 顆粒度為 Al2O3拋光液 、 燈 心絨拋光布。焊接前，將 純 C 和TC4 合金 加工成 20mm20mm2 mm大小。 表 21真空爐技術(shù)參數(shù) 性能名稱 參數(shù)指標(biāo) 最高加熱溫度（ ℃ ） 1500 最大加熱功率（ KW） 30 冷態(tài)真空度（ Pa） 110－ 3 熱態(tài)真空度（ Pa） 510－ 3 爐膛尺寸（ mm） 140160 該真空爐的最大特點是：可實現(xiàn)自動控溫，精度達到 177。 圖 21真空高頻感應(yīng)加熱爐 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 真空爐中釬焊的設(shè)備主要由真空釬焊爐和真空系統(tǒng)組成。本實驗所用真空室?guī)в兄Ъ?，將試樣放入線圈內(nèi)，同時用 Mo 筒產(chǎn)生感應(yīng)系統(tǒng)，真空室用水冷卻，爐子的最高工作溫度取決于所用材料的程序。待程序結(jié)束后，關(guān)閉真空爐的加熱電源，等到水冷到 200℃